Un panneau solaire ne produit pas sa puissance maximale n'importe où sur sa courbe : il existe un unique réglage optimal, traqué en permanence par un algorithme appelé MPPT. À toi de le trouver, comme le ferait cet algorithme.
📋 Objectifs officiels (Bulletin Officiel — programme de Terminale)
Exploiter la caractéristique courant-tension I=f(U) d'une cellule photovoltaïque.
Identifier le point de fonctionnement qui maximise la puissance électrique fournie.
Relier la puissance, le courant et la tension : P = U×I.
Comprendre le principe et l'intérêt d'un dispositif de suivi automatique (MPPT).
🎯 Fil rouge de ce TP : une cellule photovoltaïque a une caractéristique I=f(U) fixée par la physique — mais la puissance qu'elle délivre dépend entièrement du point de fonctionnement qu'on lui impose. Ni le court-circuit, ni le circuit ouvert ne donnent de puissance utile : le vrai optimum se trouve quelque part entre les deux, et ce n'est pas toujours là où on l'imagine spontanément.
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Mise en situation
≈ 10 min
Un panneau photovoltaïque, sous un éclairement donné, présente une caractéristique I = f(U) : le courant qu'il délivre dépend de la tension à ses bornes (imposée par la charge électrique branchée). Ce panneau a un courant de court-circuit I_cc = 5,0 A et une tension à vide U_co = 20 V.
P = U × I (puissance électrique délivrée, en watts)
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Deux cas particuliers évidents
Que vaut la puissance délivrée par le panneau dans les deux cas extrêmes : en court-circuit (U=0) et en circuit ouvert (I=0) ? Qu'en déduis-tu sur la position du point de puissance maximale ?
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En court-circuit, U=0 donc P=U×I=0 (même si I est maximal). En circuit ouvert, I=0 donc P=U×I=0 (même si U est maximal). Dans les deux cas, la puissance est nulle. Le point de puissance maximale se trouve donc nécessairement quelque part entre ces deux extrêmes, là où le produit U×I est le plus grand — ni la tension ni le courant maximal, séparément, ne garantissent la puissance maximale.
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Manipulation — Chasser le maximum
≈ 25 min · simulateur
Le graphique ci-dessous affiche la caractéristique I=f(U) (courbe bleue) et la puissance P=f(U) (courbe orange en pointillés). Clique n'importe où sur le graphique pour déplacer ton point de fonctionnement (marqueur vert) et observer U, I et P en temps réel. Trouve la valeur de U qui maximise P, puis valide ta réponse.
Tension U : 10.0 V
Courant I : —
Puissance P : —
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Analyse — Pourquoi ce point précis ?
≈ 15 min
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Position relative du MPP
Le point de puissance maximale que tu as trouvé est-il plutôt proche de U_co (circuit ouvert), plutôt proche de U=0 (court-circuit), ou plutôt au milieu ? Observe la forme de la courbe I=f(U) (relativement plate puis chute brutale) pour expliquer pourquoi.
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Le MPP est situé relativement proche de U_co (dans le "coude" de la courbe), pas au milieu. La raison : la courbe I=f(U) reste quasiment plate (I≈I_cc constant) sur une large plage de tensions, puis chute très brutalement juste avant U_co. Tant que I reste proche de I_cc, augmenter U augmente directement P=U×I presque proportionnellement — ce n'est qu'au moment où I commence à chuter fortement que ce gain est compensé, ce qui place le maximum juste avant cette chute, donc relativement proche de U_co.
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Pourquoi un algorithme est nécessaire — le MPPT
≈ 15 min
Le point de puissance maximale n'est pas fixe : il se déplace en fonction de l'éclairement (plus ou moins de nuages), de la température du panneau, et de l'angle d'incidence du soleil au cours de la journée. Un régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracker) ajuste en continu la tension de fonctionnement du panneau (via un convertisseur électronique) pour rester en permanence au sommet de la courbe P=f(U), même quand elle se déforme et se déplace.
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Sans MPPT, que se passe-t-il ?
Un panneau solaire est parfois directement connecté à une batterie, qui impose sa propre tension au panneau (typiquement fixe, autour de 12-14V pour une petite installation). Si cette tension de batterie ne correspond pas au MPP du panneau à un instant donné, que se passe-t-il pour la puissance récupérée ? Propose un ordre de grandeur de perte possible en te référant à la forme de la courbe P=f(U) observée en Partie 2.
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Si la tension imposée par la batterie est éloignée du MPP (par exemple trop basse, dans la zone plate où I≈I_cc mais U petit), la puissance récupérée peut être significativement inférieure à P_max — le cours mentionne un gain typique de 15 à 30% apporté par un régulateur MPPT, ce qui donne une idée de l'ordre de grandeur des pertes évitées. C'est pourquoi les installations solaires performantes utilisent presque systématiquement un régulateur MPPT plutôt qu'une connexion directe à tension fixe.
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Mini-projet — Dimensionner une installation (type bac)
≈ 15 min · rédaction
📄 Contexte. Une famille souhaite installer des panneaux solaires pour couvrir une consommation moyenne de 15 kWh par jour. Chaque panneau, identique à celui étudié dans ce TP, a un point de puissance maximale d'environ P_max ≈ 85 W dans les conditions standard de test, et reçoit en moyenne l'équivalent de 4,5 heures d'ensoleillement "plein soleil" par jour (valeur moyenne annuelle typique en France métropolitaine).
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Question de synthèse (rédaction complète attendue)
a. Calcule l'énergie produite par un seul panneau en une journée moyenne (en supposant qu'il fonctionne exactement à son MPP grâce à un régulateur MPPT).
b. Combien de panneaux faut-il installer pour couvrir les 15 kWh/jour visés ?
c. Le vendeur propose une installation sans régulateur MPPT, 20% moins chère. Argumente si ce choix est pertinent, à partir de ce que tu as appris en Partie 4.
a
Énergie par panneau par jour = P_max × durée = 85×10⁻³ kW × 4,5 h ≈ 0,38 kWh/jour.
b
Nombre de panneaux = 15 / 0,38 ≈ 39,5, soit 40 panneaux (arrondi à l'entier supérieur pour couvrir le besoin).
c
Sans MPPT, la puissance réellement récupérée peut être inférieure de 15 à 30% à P_max (Partie 4). Cela reviendrait à devoir installer davantage de panneaux pour compenser cette perte (jusqu'à environ 30% de panneaux en plus, soit une douzaine de panneaux supplémentaires) — un surcoût qui dépasse probablement largement les 20% d'économie initiale sur le régulateur. Le choix sans MPPT n'est donc a priori pas pertinent économiquement, sauf cas particulier (installation très simple, faible puissance, contraintes de coût extrêmes).
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Auto-évaluation — Grille de compétences
≈ 5 min
Compétence
A
B
C
D
Exploiter une caractéristique I=f(U) et calculer P=U×I
Identifier le point de puissance maximale sur un graphique
Expliquer l'intérêt d'un régulateur MPPT
Dimensionner une installation à partir d'un besoin énergétique
Clique sur les pastilles A/B/C/D pour chaque compétence.
🚀 Pour aller plus loin : recherche comment fonctionne concrètement un algorithme MPPT simple (méthode "perturb & observe") : il teste une petite variation de tension, observe si la puissance augmente ou diminue, puis ajuste — un principe finalement proche de ce que tu as fait en Partie 2, mais automatisé et répété en continu.
TP terminé — bravo !
Retourne au cours pour revoir la jonction p-n et les sources de pertes théoriques.